Un « piège à souris » encore plus performant

Les premiers tests réalisés avec le nouveau piège d’ASACUSA s’avèrent prometteurs pour les futures expériences avec des faisceaux d’antihydrogène.

De gauche à droite : Yoshinori Enomoto, Yasuyuki Kanai, Hiroshi Imao, Yuugo Nagata, Yasunori Yamazaki, Naohumi Kuroda, Akihiro Mohri, Takuya Shimoyama.

Il y avait de bonnes raisons de se réjouir lors de la traditionnelle fête organisée le 12 novembre dernier pour célébrer la fin de la période d’exploitation de l’AD. Non content de pouvoir mettre un terme au travail par roulement et prendre du repos, le groupe nippo-européen ASACUSA a fait récemment des progrès encourageants dans la production d’un faisceau d’antihydrogène à basse énergie.

La plupart des expériences avec des antiprotons ont besoin qu’un essaim de ces particules soit confiné dans un conteneur sous vide (piège) où elles peuvent être refroidies et manipulées de diverses manières. Pour cela, des forces électriques et/ou magnétiques doivent être appliquées pour stopper les antiprotons dérivant de l’essaim vers les parois du conteneur, où ils seraient annihilés.

L’équipe ASACUSA a conçu un nouveau type de piège basé sur les traditionnelles bobines d’Helmholtz souvent présentées dans des écoles et laboratoires d’enseignement. Dans ces démonstrations, deux bobines d’Helmholtz placées l’une en face de l’autre à une distance égale à leur rayon sont excitées avec des courants parallèles afin de produire un champ magnétique uniforme parallèle à l’axe des bobines. Le piège mis au point par ASACUSA diffère par ses courants d’excitation, antiparallèles, ce qui produit un champ magnétique quadripolaire, et non plus constant, qui est également symétrique à l’axe des bobines. En superposant sur ce champ magnétique « étranglé » un champ électrostatique multipolaire adapté, on obtient une configuration d’ensemble qui produit toutes les forces de rappel requises pour confiner des charges positives comme négatives, de sorte que les positons, les antiprotons et les électrons peuvent tous être stockés dans le même piège. L’ensemble est très compact étant donné que le champ quadripolaire d’Helmholtz décroît rapidement hors des bobines. Dès lors, il n’est pas nécessaire de faire appel à une culasse de retour en fer.

Lors de tests réalisés récemment, le piège à étranglement s’est avéré à même de stocker un nombre record d’antiprotons. L’équipe a alors ajouté des électrons dans le piège. Ces derniers ont absorbé en continu la chaleur émise par les antiprotons et l’ont dissipée rapidement par un rayonnement synchrotron. À terme, ce processus de refroidissement par électrons devrait pouvoir être utilisé pour produire les antiprotons de température extrêmement basse requis pour former des atomes d’antihydrogène, des positons étant ajoutés ultérieurement dans le piège.

Fabriquer des atomes d’antihydrogène dans un piège à étranglement présente un autre avantage : comme ils sont au début dans un état hautement excité, ils présentent un moment magnétique élevé. Le champ magnétique quadripolaire exerce sur eux une force de retour supplémentaire de sorte que ces atomes neutres sont également piégés. À mesure que s’atténue l’excitation de ces antiatomes, leur moment magnétique diminue jusqu’à ce qu’ils puissent enfin s’échapper le long de l’axe longitudinal du piège sous la forme d’un faisceau d’antihydrogène polarisé en spin. Ultérieurement, il est envisagé d’utiliser un tel faisceau pour mesurer le dédoublement hyperfin de l’état fondamental de l’antihydrogène, un test de haute précision du théorème CPT.